偶极相互作用。.pptVIP

材料和药物分子 设计和模拟 中南大学化学化工学院 一、分子力学方法 Molecular Mechanics 分子力学是在20世纪30年代Andrews提出,40年代后得到大发展.用于孤立分子或相应作用体系的结构,性能和动力学研究. 分子力学方法，忽略电子的运动只计算与原子核位置相关的体系能量。这一计算方法基于如下基本假设：分子是由原子组成的，所以孤立分子或相互作用体系的势能函数是分子或体系中原子位置的函数。分子力学将分子或体系作为在势能面上运动的力学体系来处理. 分子力学求解的是经典力学方程，即牛顿（Newton）方程，分子力学方法能获得分子的平衡结构、振动光谱、热力学性质等，不能求得体系与电子结构有关的其他性质。 分子力学方法所能计算的体系比较大，是目前模拟蛋白质、核酸等生物大分子结构和性质以及配体－受体相互作用的常用方法，因其计算速度快，现已在生命科学和材料科学等领域中得到了广泛的应用。 二、分子力学与量子力学 基本粒子 运动方程 处理水平 势能面 提供信息 应用特点 三、基本理论 分子力学方法采用力场来拟合势能面。所谓力场即 解析经验势函数。 基本原理为：一个由n个原子组成的分子，坐标为 当分子的平衡构型变为其他构型 时，势函数的泰勒展开为： （3.1) 势能函数主要决定于第三项： 其中： 称为力场参数，即力常数。 用 可组成一个矩阵，如果忽略 非对角项，则分子满足胡克定律，称分子体系为 非偶合体系。如果分子的构型变化较大，必须考 虑（3.1）中的高阶项，此时分子处于非谐振态。 每个分子都有其固有的力场，分子力学使用了简单的作用模型，简单的分子力场模型将非偶合体系的势函数分解为四个部分：键的伸缩振动能Ec，键的弯曲振动能Eb，二面角的扭曲转动能Etor以及非键相互作用Enb。总势能可表示为： 对于更精确的力场，可以加入一些交叉项，如键伸缩－键弯曲振动交叉项、二面角扭曲－键伸缩交叉项等，也可加入氢键函数项等其他修整项。 现今使用的大部分分子力场都是上述的四组分模 型。下式就是一个该模型的简单例子， 四、势能函数 1.键的伸缩振动能 当化学键进行伸缩振动时，能量变化可由以键长为变量的莫尔斯（Morse）势函数表示： 是势能阱的深度； ，其中 为折合质量， 为键的振动频率， 是键的振动常数； 为键长； 为平衡键长 由于莫尔斯势函数计算工作量较大不适合用于分子的模建，因此分子力学力场中通常并不用莫尔斯势函数来计算键的伸缩振动能。 。 谐振势函数 （3.2) 其中 为力常数，即力场参数。分子力学方法处理 的对象为偏离平衡构型不大的分子或体系，因此谐 振势函数来代替莫尔斯势函数是可行的。谐振势函 数计算方便，所以被许多力场，特别是一些计算生 物大分子的力场采用。 用谐振势能函数式模拟键的伸缩振动误差比较大， 上面已谈及比较准确的势函数是以键长为变量的莫 尔斯势函数式，但莫尔斯势函数的计算工作量较大 而不适用于分子的模建。 为了更好的模拟莫尔斯势函数提高分子力学计算结 构的准确性，在3.2式中加入高阶项，得到的键伸缩 振动能如下： 其中 为力场参数， 、 为常数。 Allinger等建立有机小分子力场参数时，用如下 势函数拟合伸缩振动的非谐振性： 这套力场参数称为MM2力场。后来对其作了改 进，在键伸缩振动势能公式中加入了四次方项， 发展成为MM3力场。最近，Allinger等对MM3力场 作了进一步改进，建立了新的力场参数MM4。 2.键弯曲振动能 与键伸缩振动类似，胡克定律可以用来描述键弯曲 振动，即： 其中：kb是力场数；θ为键角；θ0为平衡键角。 当键角过分小时，如含有三元环和四元环的化合 物，非谐振现象就很明显，这是谐振模型就要作相 应的修正，与键伸缩振动类似，加入高阶项是常用 的修正方法。因此，普遍的键弯曲振动能的表达式 如下： Amber力场键弯曲振动势函数采用谐振模型 式，与键伸缩振动类似，加入高阶项是常用 的修正方法。MM2和MM3里长的键角弯曲振动 非谐振势函数分别为： MM2和MM3力场中，还加入了键伸缩振动-键弯曲振动 的交叉项Esb： 这里 是键角为a-b-c的伸缩-弯曲振动力场数， 这种现象主要存在于环状化合物中，在键伸